Contribution aux études de coordination d'isolement pour les systèmes VSC-HVDC

Contribution to Insulation Coordination Studies for VSC-HVDC Systems

• Auteur / Autrice : Nicolas alejandro Manduley rivas
• Direction : Bertrand Raison, Alain Xémard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 03/12/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pascal Cambronne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sellé Touré
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ivo Uglešić, Françoise Paladian

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolateurs électriques

Convertisseurs continu-continu

Électricité -- Transport -- Courant continu

Haute tension

Mots clés libres

Coordination d'isolement

Transitoires

Hvdc

Vsc

Mmc

Convertisseur multiniveaux

Insulation Coordination

Transients

Hvdc

Vsc

Mmc

Modular Multilevel Converter

Résumé

Les systèmes de transport d'énergie en courant continu (HVDC) se développent très rapidement dans le monde entier. Certaines des principales raisons de cette croissance sont les restrictions et les limites concernant l'utilisation des droits de passage et la mise en service des parcs éoliens offshore. Les deux cas décrits ci-dessus convergent vers des solutions impliquant l'installation de longs câbles souterrains ou sous-marins, pour lesquels les technologies AC ne conviennent pas sur de longues distances. De plus, le transport d’énergie en HVDC offre une série d'avantages par rapport au HVAC en termes de capacité de transmission de puissance et de réduction des pertes.C'est dans ce contexte que cette thèse est présentée comme une contribution au développement des systèmes HVDC à grande échelle, en particulier en ce qui concerne la coordination d'isolement pour les technologies basées sur les convertisseurs de source de tension (VSC). En particulier, le convertisseur modulaire multiniveaux (MMC) représente l'une des implémentations VSC les plus prometteuses dans le domaine du HVDC.La coordination d’isolement est la procédure de sélection de la tenue diélectrique du matériel isolant des équipements d’un système électrique. Il garantit sécurité opérationnelle du système en régime permanent, ainsi qu’en régime transitoire en cas de défauts, chocs de foudre et autres phénomènes générant des surtensions importantes. Par conséquent, la coordination d’isolement est une étape cruciale de tout projet d'ingénierie pour garantir non seulement l'intégrité des composants qui y sont connectés, mais également la sécurité du personnel dans les installations.Les normes existantes proportionnent des procédures et recommandations pour la réalisation des études de coordination d'isolement pour les systèmes AC et LCC. À ce jour, aucune norme existante n’adresse la coordination d’isolement pour des systèmes VSC. Cette thèse a pour objectif de contribuer au développement de procédures détaillées de coordination d’isolement pour les systèmes VSC, et en particulier pour le MMC, prenant compte de ses caractéristiques et comportement en régime transitoire, ainsi que ses différences avec les systèmes AC et LCC.Dans cette optique, nous avons réalisé une étude exhaustive de la littérature afin d'identifier les aspects fondamentaux à prendre en compte pour adapter les principes de coordination d’isolement aux systèmes VSC. Ces études ont été menées en utilisant des simulations de transitoires électromagnétiques dans EMTP pour étudier en détail le comportement des systèmes VSC sous des événements transitoires conduisant aux niveaux de surtension les plus élevés qui, en combinaison avec les équipements de limitation de surtension, détermineront les exigences de ténue diélectrique du système.Dans ce travail nous proposons une méthodologie permettant d’amener des études de coordination d'isolement sur les systèmes VSC-MMC. La procédure proposée prend en compte tous les facteurs déterminés comme ayant une influence sur la manière dont les principes de coordination d'isolement doivent être appliqués aux systèmes MMC.Dans le domaine des lignes aériennes HVDC, il y a des défis concernant l'évaluation de la performance en cas de choc de foudre. Les procédures existantes ont été développées pour les systèmes AC, et certains cas nécessitent des études et des méthodologies plus détaillées pour évaluer les performances en choc de foudre. Dans cette thèse, nous avons adaptés les procédures existantes aux applications VSC afin d’analyser des configurations asymétriques, des composants non linéaires et des amorçages multiples, que les méthodes conventionnelles ne peuvent pas prendre en compte. De plus, deux solutions pour l'amélioration des performances en choc de foudre à l'aide de parafoudres et de l’utilisation des longueurs des chaînes d’isolateurs asymétriques ont été étudiées et analysées en détail.

HVDC power transmission systems are developing and expanding rapidly all over the world. Some of the main reasons behind this growth are the restrictions and limitations regarding the use of the Right-of-Way (ROW) and the increasing commissioning of offshore wind parks. Both cases converge into solutions involving the installation of long underground or submarine cables, for which AC technologies are not suitable over long distances. Moreover, HVDC transmission offer a series of advantages over HVAC in terms of power transmission capacity and reduction of losses, which may lead to an increase in the commissioning of HVDC lines and the conversion of existing AC overhead lines into DC.It is within this context that this thesis is presented as a contribution to the development of high-scale HVDC systems, particularly regarding insulation coordination for Voltage Source Converter (VSC) based technologies. In particular, the Modular Multilevel Converter (MMC) represents one of the most promising VSC implementations in HVDC transmission.Insulation coordination consists of the selection of the required dielectric strength of the insulating materials in a utility. It ensures the safe operation of the system in both steady state and transient conditions such as faults, lightning strikes and other phenomena generating overvoltages. Therefore, insulation coordination is a crucial stage of any engineering project in order to guarantee not only the integrity of the components, but also the safety of the personnel at the installations.Existing standards provide procedures and guidelines on how to conduct insulation coordination studies for HVAC and LCC systems. As of today, no existing standard covers VSC insulation coordination. This thesis aims to constitute a contribution towards the development of detailed insulation coordination procedures for VSCs, and particularly for the MMC, taking into account the specific characteristics and transient behaviour of VSCs, and their differences with AC and LCC systems.In line with such purposes, an exhaustive study of the literature is performed in order to identify the fundamental aspects that need to be considered to adapt the insulation coordination principles to VSC-HVDC systems. Studies are conducted using electromagnetic transient modelling in EMTP to study in detail the behaviour of VSC-HVDC systems under transient events leading to the highest overvoltage levels which, in combination with the installation of surge arresters, will determine the insulation requirements of the system.A procedure is proposed allowing to conduct insulation coordination studies on MMC-HVDC systems. The proposed procedure takes into account all the factors determined to have an influence on the way in which the insulation coordination principles should be applied to MMC-HVDC systems.In the domain of HVDC overhead lines, there are some challenges regarding the evaluation of the lightning performance of such systems. The existing procedures were developed for HVAC systems, and some cases require more detailed studies and methodologies to adequately evaluate the lightning performance. Some examples are asymmetric configurations, schemes with surge arresters and double-circuit HVDC overhead lines (especially for studies regarding multiple simultaneous flashovers). In this research, existing procedures have been adapted to VSC-HVDC applications in order to analyse asymmetric configurations, non-linear devices and double flashovers, which conventional methods cannot take into account. Moreover, two solutions for the improvement of the lightning performance using arresters and unbalanced insulation string lengths have been studied and analysed in detail.